互联网、云计算与高性能计算等领域的数据密集型应用,对存储系统的I/O性能提出了更高的要求,传统的机械磁盘已经无法满足日益严峻的存储需求。闪存(Flash Memory)介质的成熟,以及闪存固态盘(Solid State Drive,SSD)的出现与发展,为克服存储系统的性能瓶颈带来了希望。然而,在许多实际应用中,闪存固态盘未能充分发挥出闪存的最佳性能,有必要对软硬件I/O栈进行重新设计与优化。同时,不同的应用具有不同的I/O负载特性,如何根据应用负载特征与闪存自身的物理特性,对闪存固态盘进行应用感知的性能优化,也是当前闪存固态盘的研究热点之一。论文针对闪存固态盘面临的上述问题,通过优化设备驱动和内部数据布局,提升了PCIe闪存固态盘的整体性能。本文的主要工作及创新点如下:1)为了充分利用闪存的并行性,发挥多核处理器优势,本文设计了一种支持多队列多中断技术的PCIe闪存固态盘驱动机制,并基于自主设计的PCIe闪存固态盘原型系统,实现了基于Linux的软件驱动,优化了DMA传输方式,显著提升了闪存固态盘的带宽和IOPS。2)结合多虚拟机的应用背景,分析闪存固态盘内部数据布局策略对虚拟机整体性能的影响。针对闪存固态盘内部存在的垃圾回收和写放大带来的性能问题,设计了一种基于虚拟机语义的闪存固态盘内部数据布局与管理策略,保证各虚拟机达到预期的性能。通过对垃圾回收空间的隔离,有效降低了垃圾回收的开销、减少了写放大效应,延长了固态盘的使用寿命。